Emergent properties of bio-physical self-organization in streams

Zelforganisatie, de vorming van ruimtelijke patronen door ecologische interacties, is een wijdverbreid fenomeen in natuurlijke ecosystemen. Theoretische studies laten zien dat zelforganisatie een belangrijk regulerend proces in ecosystemen is. Het kan ecosystemen bijvoorbeeld meer bestendig maken tegen verstoringen. Het onderzoeken van zulke bijkomende, spontaan verschijnende gevolgen van zelforganisatie helpt ons in het beheren en beschermen van de natuur tegen klimaatverandering en menselijke invloeden. Voor dit proefschrift heb ik ruimtelijke zelforganisatie van vegetatie in rivieren onderzocht. In het bijzonder heb ik mij gericht op de interacties tussen waterstroming en onderwater groeiende vegetatie en op de gevolgen van deze interacties voor rivierstroming en biodiversiteit. Mijn onderzoek toont aan dat vegetatie voor het rivierecosysteem als buffer werkt tegen veranderende hydrologische condities. Zulke hydrologische condities kunnen uiteenlopen van zwakke stromingscondities tot harde stromingen (overstromingen). Tegelijkertijd ondersteunt onderwater groeiende vegetatie de biodiversiteit in de rivier. Door diversiteit aan leefgebieden in stand te houden, worden condities gecreëerd die gunstig zijn voor andere soorten. Zo biedt dit zelforganisatieproces een natuurlijke oplossing voor stromingsregulatie. Deze bevindingen staan in contrast met het huidige rivierbeheer waarbij vegetatie wordt verwijderd, omdat verondersteld wordt dat begroeiing het risico op rivieroverstroming verhoogt. Terwijl verwacht wordt dat wereldwijde klimaatverandering en menselijk ingrijpen in rivieren de hydrologische extremen zullen doen toenemen, laat deze studie zien hoe zelfgeorganiseerde rivierecosystemen zich kunnen aanpassen om geschikte stromingscondities te handhaven en tegelijkertijd een hoge aquatische biodiversiteit te ondersteunen.Self-organization, the formation of spatial patterns due to ecological interactions, is a widespread phenomenon in natural ecosystems. Theoretical studies indicate that self-organization is an important regulating process in ecosystems. For instance, it can make ecosystems more resistant to disturbance. Studying these emergent effects of self-organization helps us manage and protect nature against climate change and human impacts. In this thesis, I studied spatial self-organization of vegetation in rivers. In particular, I focused on the interaction between water flow and submerged vegetation, and its effects on river flows and biodiversity. My research indicates that vegetation buffers river ecosystems against changing hydrological conditions. These hydrological conditions can range from low flows to high flows (floods). At the same time, submerged vegetation supports the river's biodiversity. By maintaining habitat diversity, it creates conditions that are favourable for other species. Hence, this self-organization process might provide a nature-based solution to flow regulation. These findings suggest there might be a need to reconsider current management practices that typically remove vegetation because it is perceived to increase the risk of river flooding. As global climate change and human modifications to rivers are expected to increase hydrological extremes, this study shows how self-organized river ecosystems can adapt to maintain suitable flow conditions while also supporting high aquatic biodiversity